Sistemas de Tiempo Real (Real-Time Systems)

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1 Sistemas de Tiempo Real (Real-Time Systems)

2 Definiciones Un sistema de tiempo real (STR o real-time system o RTS) es aquel cuyo correcto funcionamiento depende de que las salidas “lleguen a tiempo” O sea que debe estar acotado el tiempo entre cada evento y la respuesta que provoca No necesariamente tiene que ser breve, pero sí acotado t Llega un estímulo Deadline (absoluto) Se empieza a atender Deadline (relativo), o sea, tiempo máximo aceptable para la respuesta Tiempo de procesamiento Se termina de atender

3 Se distinguen dos tipos:
STR duro (hard RTS) Es duro cuando el incumplimiento de un deadline implica un funcionamiento incorrecto Ejemplos: El sistema ABS (anti-lock breaking system) de un auto Un marcapasos STR suave (soft RTS) Es suave cuando el incumplimiento de un deadline no implica funcionamiento incorrecto pero sí una degradación en la calidad de servicio Procesamiento de video Porque es aceptable que se pierda algún que otro cuadro Un reproductor de DVD Interfaces al usuario en general ¿Pueden dar más ejemplos?

4 Requerimientos de un STR
Un STR está definido por una lista de: Los eventos externos que puede atender La respuesta lógica (o sea, salida) que debe producir cada evento Los requerimientos de temporización de esas respuestas O sea, sus deadlines relativos Para simplificar, los STR suaves frecuentemente se diseñan como si fueran STR duros O sea, como si sus deadlines fueran estrictos Como siempre, para especificar y refinar los requerimientos, podemos recurrir a: Diagramas de secuencia Statecharts Otros modelos de computación y lenguajes de modelado

5 Ejemplo Notas con requermientos de temporización y de calidad de servicio (quality of service o QoS) B.P.Douglass; “Capturing Real-Time Requirements “ <

6 Requerimientos de temporización
A veces se recurre a métodos formales para verificar el cumplimiento de los requerimientos de temporización, pero es más frecuente testearlos mediante simulaciones y pruebas en prototipos Problemas: Ante cambios menores, hay que volver a testear todo Se aliviana automatizando esas pruebas, si se puede El testeo nunca da garantías al 100% Es muy valioso usar técnicas de programación que nos den cierta seguridad sobre el cumplimiento que los requisitos de temporización, para no depender mucho de la verificación. Para cumplir esos requerimientos, a veces hay que evitar usar técnicas que implican tiempos largos y/o poco predecibles Ejemplos: Programación orientada a objetos Garbage collecting (como el de Java) malloc() y free() comunes de C

7 Diseño de un STR Como ven, un STR es un sistema reactivo con requisitos (estrictos o no) en cuanto a sus tiempos de respuesta Esos requisitos se consideran desde la etapa de elaboración de requerimientos y durante todo el proceso de diseño …a diferencia del diseño de un software transaccional común, en los cuales lo típico, como mucho, es chequear la velocidad una vez programadas sus unidades, para decidir si optimizarlas o no Recordar que reactivo significa que responde a eventos externos, que no necesariamente tienen orden o periodicidad

8 Diseño de un STR Un STR puede diseñarse directamente en Assembly sin librerías ni nada Ejemplo: Un ciclo infinito donde se encuestan, una tras otra, las entradas correspondientes a los eventos externos, y se las atiende rápidamente El evento externo que no pueda esperar, que vaya colgado de una interrupción, etc. Sin embargo, en sistemas medianamente complejos, suele ser difícil asegurar los requisitos de temporización si se emplea ese enfoque Recordar que valoramos las técnicas de programación que dan cierta seguridad sobre el cumplimiento que esos requisitos Por eso, a veces es conveniente utilizar un sistema operativo de tiempo real (real-time operating system o RTOS)

9 RTOS Un sistema operativo de tiempo real (RTOS) es un software de base que simplifica el diseño de software con requerimientos de tiempo real Permite que el programador estructure la aplicación como un conjunto de tareas concurrentes concurrentes = que se ejecutan al mismo tiempo Así, el procesamiento de cada evento se asigna a una tarea, pudiéndose obtener una demora razonablemente corta entre el evento y la ejecución de la tarea, sin que haya que escribir un código muy intrincado Normalmente, las tareas no son realmente concurrentes, sino que el procesador se reparte entre ellas, creando esa ilusión El RTOS gestiona la ejecución de esas tareas y provee servicios que la aplicación utiliza para acceder, con tiempos razonables y predecibles, al hardware Ej., para manejar memoria y entrada/salida

10 Comparación con OS comunes
Similitudes usuales con sistemas operativos de propósitos generales: Multitasking. O sea, ejecución de tareas (tasks) concurrentes Provisión de servicios para las aplicaciones (Algo de) abstracción del hardware Un kernel O sea, un núcleo del sistema operativo, que está siempre en memoria gestionando la ejecución de las tareas y sirviendo de puente con el hardware Sin embargo, algunos RTOS son solo librerías, o sea, kernel-less Diferencias: En los RTOS, la gestión del multitasking está especialmente diseñada para atender requisitos de tiempo real No suelen incluir interfaces al usuario gráficas, solo a veces incluyen gestión de archivos en disco, etc. Son programas mucho más livianos Los hay especiales para sistemas que requieren una confiabilidad excepcional O sea, sistemas de misión crítica o seguridad crítica

11 Algunos RTOS populares
VxWorks De Wind River, que es subsidiaria de Intel desde julio de 2009 Con soporte para multiprocesadores, IPv6 y un sistema de archivos Con protección de memoria O sea que las tareas no pueden alterar la memoria de trabajo de otras tareas Funciona en las plataformas de embebidos más populares Se usa con un IDE para Windows/Linux, que normalmente incluye depurador, simulador y herramientas de análisis QNX De QNX, subsidiaria de Research in Motion (los del Blackberry) desde mayo de 2010 Símil Unix, ofrece funcionalidad parecida al VxWorks En 2007 fue abierto el código de su núcleo RTLinux Basado en Linux FreeRTOS Es gratuito y lo vamos a usar en la práctica

12 Kernel monolítico vs. µkernel
Existen básicamente dos maneras de organizar un OS: De núcleo (kernel) monolítico: Todas las funciones “residentes” del OS están en su núcleo Con microkernel: Algunas funciones del OS se implementan como tareas similares a las de la aplicación VxWorks tiene kernel monolítico; QNX, RTLinux y FreeRTOS usan microkernel W.Ecker et al.; Hardware Dependent Software, Principles and Practice

13 Componentes de un RTOS Programador (scheduler) Ejecutor (dispatcher)
Establece el orden de ejecución de los procesos Ejecutor (dispatcher) Gestiona el inicio y la finalización de cada tramo de procesamiento, cambiando el contexto (stack, memoria, registros, etc.) para pasar de una tarea a otra Administrador de memoria En arquitecturas con µkernel, éste suele contener al scheduler, al dispatcher y al administrador de memoria Servicios Drivers para acceder al hardware Administrador de interrupciones de hardware o software Etc. Primitivas para la sincronización y comunicación entre procesos

14 Otros componentes (para misión crítica)
Gestor de configuraciones (configuration manager) Gestiona la reconfiguración del sistema (reemplazo de componentes de hardware o actualización de software) sin interrumpir el funcionamiento del sistema Gestor de fallas (fault manager) Detecta fallas de hardware y software, y toma acciones para asegurar la disponibilidad del sistema Ejemplo: RadioBase de Telefonía Celular Alta disponibilidad (tolerancia a fallas mediante redundancia) Actualizaciones de software y hardware sin detención Reporte de estadísticas de funcionamiento y performance Reconfiguración según necesidades Por tráfico, variación del espectro, etc.

15 Multitasking Como dijimos antes, el procesador (usualmente) se reparte entre distintas tareas, creando la ilusión del procesamiento concurrente En el ejemplo, el procesador primero está ejecutando la tarea A. Esta le hace un pedido a la B, así que se transfiere el control del procesador a ésta última, hasta que requiere la respuesta de un periférico. (Continúa) Tarea C Tarea B Tarea B Tarea A Tarea A t

16 Multitasking Como dijimos antes, el procesador (usualmente) se reparte entre distintas tareas, creando la ilusión del procesamiento concurrente Mientras espera, se le da el control a la tarea C, hasta que ésta termina lo que hacía y llama a una función especial del scheduler, mediante la cual queda en espera mientras no tenga nada que hacer El procesador vuelve con B, dado que la respuesta que esperaba ya llegó. B termina de realizar el pedido de A, así que se le devuelve el control a ésta. Tarea C Tarea B Tarea B Tarea A Tarea A t

17 Multitasking Como dijimos antes, el procesador (usualmente) se reparte entre distintas tareas, creando la ilusión del procesamiento concurrente Como vemos, cada tarea está en uno de tres estados: Lista para ser atendida por el procesador Siendo ejecutada por el procesador Bloqueada (también se le dice suspendida) Que es cuando está esperando una respuesta de I/O o una señal de otro proceso para pasar al primer estado Tarea C Tarea B Tarea B Tarea A Tarea A t

18 Programación (Scheduling)
¿Quién decidió que A esté seguido de B, si podía haber arrancado C ahí? ¿O que se haya ejecutado C en el intervalo, en lugar de alguna otra tarea (D, E, etc.) que estuviera lista? Lo decidió el scheduler del RTOS, en base al algoritmo de programación (o scheduling algorithm) definido al diseñar el sistema Esas decisiones (o sea, la programación de tareas, o scheduling) tienen un rol crucial en el cumplimiento de los requisitos de temporización Ej., deben tener prioridad las tareas con deadline inminente ¿Qué hizo el dispatcher mientras tanto? En aquellos momentos donde se pasó a procesar otra tarea, se ocupó de Tomar una de una lista (ordenada) de tareas listas que fue preparada por el scheduler Cambiar el contexto (o sea, hacer el context switch) Transferir el control del procesador a la instrucción que corresponde, de la nueva tarea

19 Preemptive Scheduling
En el ejemplo anterior, el cambio de una tarea a otra se da sólo cuando el proceso en ejecución solicita un servicio del sistema Puede ser porque realmente requiere el servicio (ej., un acceso a un periférico) o porque está programado que ahí debe liberar al procesador (como lo había hecho C) Pero la mayoría de los sistemas operativos pueden también interrumpir la tarea que se está ejecutando, cuando pasa demasiado tiempo sin “devolver” el procesador A esto se le dice programación preventiva (o preemptive scheduling o preemptive multitasking) Para realizarlo, se necesita algún timer o reloj de tiempo real (RTC) Es preventiva porque no se depende de que las tareas devuelvan el control a tiempo A la programación de tareas que no hace estas interrupciones, se les dice programación cooperativa (o cooperative scheduling)

20 Funcionamiento del scheduler
Típicamente, el scheduler se ejecuta a intervalos regulares Determinados por un timer o reloj de tiempo real (RTC) Cuando lo hace, vuelve a elaborar la lista de tareas listas (esa que lee el dispatcher), dándoles un orden que, idealmente, depende del tiempo remanente hasta el deadline de cada una Existen varios tipos de algoritmos para la elaboración de este orden Esos son los algoritmos de scheduling que mencionamos antes

21 Scheduling preventivo, basado en prioridades
Algoritmos de scheduling Scheduling preventivo, basado en prioridades El programador asigna una prioridad a cada proceso Se ejecuta siempre el proceso de mayor prioridad, entre los que están listos Si aparece uno de mayor prioridad, se interrumpe la ejecución y se le da el control Las prioridades pueden ser fijas o dinámicas Son dinámicas si pueden modificarse en tiempo de ejecución Se depende de que las tareas de alta prioridad devuelvan el control (simil scheduling cooperativo) Problema: por más que lo hagan, puede pasar mucho tiempo hasta que se ejecutan los de baja prioridad …si es que siempre hay una de mayor prioridad que está lista A esa situación se le llama starvation

22 Round-robin (en ronda)
Algoritmos de scheduling Round-robin (en ronda) Round-robin (en ronda) Los procesos se ejecutan siempre en la misma secuencia Se usa cuando el multitasking es preemptive, asignándoles, a las tareas, fragmentos de tiempo (o time slices) de igual duración Es útil combinarlo con el algoritmo anterior: Q.Li y C.Yao; Real-Time Concepts for Embedded Systems

23 Mejores algoritmos Rate-monotonic scheduling
Algoritmos de scheduling Mejores algoritmos Rate-monotonic scheduling Es un equema basado en prioridades (fijas), en donde la prioridad de una tarea es inversamente proporcional a su deadline relativo

24 Sincronización y comunicación entre procesos
Imaginemos las siguientes tareas: Una produce ciertos datos Son ingresados por un usuario, o los resultados de un cálculo, o lo que sea) Otra consume esos datos Los imprime, los usa para otros cálculos, o lo que sea Mientras no reciba datos, esta tarea queda suspendida Este es un problema típico Se llama productor - consumidor Para resolverlo necesitamos medios para: Que la primera le comunique cada dato a la segunda A esto se le llama comunicación entre procesos Que la primera señalice que le acaba de mandar un dato a la otra, para que ésta pase del estado “bloqueada” al estado “lista”, y pueda leerlo A esto se le llama sincronización de procesos

25 Primitivas para la sincronización y comunicación
Los RTOS suelen ofrecer elementos para Comunicación Ej., Memoria compartida. Colas de mensajes. Mailboxes Sincronización Ej., Semáforos. Mutex Memoria compartida Se pueden definir partes de memoria accesibles por los dos procesos que necesitan comunicarse Los datos pueden ser comunicados escribiéndolos allá Pero cuidado, que un proceso no interprete un dato a medio escribir, como si estuviera escrito del todo Es decir que se necesita algo como un handshaking. Por ejemplo, una señal de sincronización Colas (queues) de mensajes Son colecciones ordenadas de (estructuras de) datos Se puede ingresar un elemento al final, o sacar uno del principio O sea que es una estructura first-in, first-out (FIFO) Es una estructura de nivel más alto que la memoria compartida, que incluye sincronización

26 Sincronización mediante semáforos
Vean esta red de Petri Si no tuviéramos la posición “semáforo” ahí, las otras posiciones estarían representando dos tareas (A y B) independientes Un token podría bajar por cada una de ellas, representando la ejecución independiente de los dos procesos Sin embargo, el “semáforo” implica que hay un tipo de sincronización entre las dos tareas Si una está ejecutando su región crítica y la otra quiere entrar a la suya, va a tener que esperar a que la primera termine Tarea A Tarea B

27 Sincronización mediante semáforos
Esta aplicación de los semáforos (o sea, evitar que dos procesos estén en sus regiones críticas) se llama exclusión mutua Sirve, por ejemplo, para evitar que el proceso B esté leyendo, de una memoria compartida, algo que A está a medio escribir También sirve para compartir recursos Notar que los semáforos ofrecen una solución escalable O sea, podrían ser N las tareas compitiendo por el token Y podrían haber M tokens, para que puedan estar, en sus regiones críticas, no más de M de ellas Tarea A Tarea B

28 Sincronización mediante semáforos
Los semáforos se usan mediante dos funciones: wait() Para tomar el token Son las transiciones de arriba También se la llama P() signal() Para devolver el token Son las transiciones de abajo También se la llama V() Tarea A Tarea B Tarea(semáforo sem) { pasos previos wait(sem) región crítica signal(sem) pasos posteriores } Pseudo-código

29 Problema productor - consumidor
Con semáforos: Con colas: Productor(semáforo exmu, dato) { while(1) { produce un dato wait(exmu) lo escribe en un buffer compartido signal(exmu) signal(dato) } Consumidor(semáforo exmu, dato) { while(1) { wait(dato) wait(exmu) lee un dato del buffer compartido signal(exmu) lo consume } Productor(cola queue) { while(1) { produce el dato send(queue, dato) } Consumidor(cola queue) { while(1) { receive(queue, dato) consume el dato }

30 Problemas de la sincronización que hay que evitar
Deadlocks Starvation Inversión de la prioridad

31 Variantes de los semáforos clásicos
Semáforos binarios Mutex

32 Conclusiones